隧道圍巖爆破松動圈的超聲波測試與分析

隧道爆炸施工不僅會導致爆炸帶巖石的破裂和剝離，還會導致附近圍巖的擾動和破壞。關(guān)于爆破導致巖體的損傷,Langefors等認為爆炸導致巖體損傷的主要原因是爆炸應(yīng)力波的傳播、反射以及相互之間的作用使巖體的裂紋激活、擴展。Kawmaoto等研究認為,宏觀上損傷力學理論將巖體視為具有原始缺陷的連續(xù)材料,即巖體是包括很多裂隙的連續(xù)體,損傷可以看作由于爆炸作用使原有裂隙張開、擴展,從而導致巖體力學性能的“劣化”;隧道輪廓線內(nèi)的巖石開挖后,圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài),由于巖石應(yīng)力的調(diào)整和巖石強度的降低,使圍巖發(fā)生變形破壞。這樣,在隧道圍巖中就形成一定的松動范圍,對圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,進而影響到隧道的耐久性和結(jié)構(gòu)的安全性。本文結(jié)合貴廣鐵路牛王蓋隧道的施工,采用聲波方法,對隧道圍巖的爆破松動范圍進行測試和研究。1工程及施工方案1.1垂直滲流帶牛王蓋隧道全長452m,隧道區(qū)由灰?guī)r組成,弱風化,巖層較完整,致密結(jié)構(gòu),節(jié)理發(fā)育。地下水類型主要為基巖裂隙水和巖溶水,隧道在垂直滲流帶中穿過。地下水接收大氣降水補給,以垂直逕流為主,在坡腳以泉的形式排泄或繼續(xù)向深部徑流。隧道范圍內(nèi)匯水面積有限,附近又缺少江河補給,屬貧水～弱富水段。由于基巖裂隙水和巖溶水的溶蝕作用,隧道區(qū)可能會出現(xiàn)巖溶洞、水平暗河等不利于隧道施工的地質(zhì)情況。1.2滑動圈范圍測試在牛王蓋隧道的DK568+055,DK568+085和DK568+105斷面測試了松動圈的范圍。測試段均為Ⅳ級圍巖,采用臺階法開挖。每循環(huán)上臺階開挖的炮眼布置如圖1所示,炮眼數(shù)量為133個,總裝藥量為174.3kg,具體爆破開挖參數(shù)見表1。2聲波測試方法一般在其測試的基本原理外—測試設(shè)備及測試原理目前,常用的隧道松動范圍超聲波測試方法是單孔測試法,采用一發(fā)雙收的裝置,即在斷面上確定測試點,在測點處鉆孔,然后將圓管狀聲波探頭置入鉆孔,孔內(nèi)注滿水以使探頭和孔壁有良好的聲耦合,孔口裝有堵水器,逐點進行測試,直到各點測試完畢。聲波記錄儀測試原理如圖2所示。聲波測試原理是利用超聲波通過介質(zhì)時波速或振幅的變化情況來研究介質(zhì)的性態(tài),如應(yīng)力狀態(tài)、位移變形情況及介質(zhì)的完整性等。聲波在巖體中傳播時,如果在其傳播路徑上有裂縫存在,聲波就會在裂縫處發(fā)生繞射,使傳播距離增大,走時增加,波速下降。巖體中的裂縫越多、越密、越長,繞射現(xiàn)象就越嚴重,波速也就越低。采用鉆爆方法開挖隧道時,由于圍巖應(yīng)力調(diào)整及爆破應(yīng)力的作用,隧道圍巖中會產(chǎn)生新裂隙、原有裂隙進一步擴展、圍巖松動等變化,聲波在隧道附近圍巖中的傳播速度必然下降,因此,可以通過測試隧道周邊圍巖波速的變化,來判定隧道圍巖的松動范圍。3炮孔與隧道壁面垂直按照測孔布置示意圖3,采用風鉆鉆孔,孔深4.0～4.5m。炮孔盡量與隧道壁面垂直。拱頂測孔由于作業(yè)困難和圍巖滲水等原因,接受器1始終達不到水耦合,因此,無法測試。3個斷面除拱頂孔外,其余孔都進行了聲波測試,取得了預(yù)期結(jié)果。(1)dk568+71通過對DK568+055斷面6個測試孔進行聲波測試,分析研究巖體波速變化曲線,確定松動破碎范圍,并研究分析影響松動范圍的因素,測試分析結(jié)果見表2。DK568+055斷面的松動圈的范圍如圖5所示。由圖5可見,右側(cè)底部松動范圍在0.95m左右,向上松動范圍逐步擴大,最大達1.2m。頂部由于達不到水耦合,無法測試,該部位距離掏槽眼較遠,周邊眼采用光面爆破,并且裝藥量比邊墻眼小,受爆炸應(yīng)力波影響比較小,產(chǎn)生松動的主要原因是圍巖自重和二次應(yīng)力分配。左側(cè)底部松動范圍較大,達到1.95m,向上在1.45m左右,松動范圍大的主要原因是底部前方有溶洞。(2)測試分析結(jié)果通過對DK568+085斷面6個測試孔進行聲波測試,分析研究巖體波速變化曲線,確定松動破碎范圍,并研究分析影響松動范圍的因素,測試分析結(jié)果見表3。DK568+085斷面松動圈的范圍如圖7所示。(3)測試分析結(jié)果通過對DK568+105斷面6個測試孔進行聲波測試,分析研究巖體波速變化曲線,確定松動破碎范圍,并研究分析影響松動圈的范圍的因素,測試分析結(jié)果見表4。DK568+105斷面松動圈的范圍如圖9所示。4圍巖穩(wěn)定性研究隧道鉆爆開挖后,在圍巖中形成松動圈的范圍,該松動圈的范圍主要受以下因素影響。1巖單軸抗壓強度董方庭等通過實測得出的松動圈的范圍為式中:B為隧道跨度,m;H為隧道埋深,m;R為圍巖單軸抗壓強度,MPa。上述因素中,對松動圈的范圍影響最大的為H,然后依次為R和B。通過式(1),估算牛王蓋隧道Ⅳ級圍巖段松動圈的范圍為40cm左右,根據(jù)廈門海底隧道松動圈的范圍的研究,應(yīng)力重分布造成的松動圈的范圍占35%～55%,與實際比較吻合。2爆破過程的范圍爆炸應(yīng)力波作用下,裂隙區(qū)半徑為其中,b=μ1?μb=μ1-μ式中:μ為巖石的泊松比;Ps為應(yīng)力波的初始徑向峰值應(yīng)力;ST為巖石抗拉強度;α為應(yīng)力波的衰減指數(shù);rb為裝藥半徑。由式(2)可知,爆破產(chǎn)生的破裂范圍主要與爆炸應(yīng)力、巖石抗拉強度和裝藥半徑有關(guān)。因此,在隧道周邊采用光面爆破主要是降低爆破應(yīng)力強度和裝藥半徑,以便最大限度地保護圍巖。3帶或巖溶時圍巖整體性好時,爆破開挖在圍巖中形成的松動范圍較小且有規(guī)律,但是,當隧道圍巖附近有破碎帶或溶洞時,松動圈的范圍將變得很不規(guī)律,主要是爆炸應(yīng)力波傳播遇到破碎帶或溶洞時,壓應(yīng)力波反射變成拉應(yīng)力波,巖石抗拉強度比抗壓強度小很多,巖石容易產(chǎn)生破壞,因此,松動圈的范圍就變得很不規(guī)律,這種現(xiàn)象在對斷面DK568+055和DK568+105的測試中得到了驗證。5錨網(wǎng)噴初期支護時的錨桿長度(1)對于雙線隧道灰?guī)r地層Ⅳ級圍巖,采用控制爆破,總裝藥量在180k